Esame quantitativa e qualitativa delle interazioni particella-particella colloidale Uso Probe Nanoscopia

Summary

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

Abstract

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.^1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Introduction

Microscopia a forza atomica (AFM) è una tecnica che permette l'imaging qualitativa e quantitativa e preciso di una superficie del materiale. ^4-6 Tradizionalmente, AFM è utilizzato per la valutazione della topografia della superficie, morfologia e struttura dei materiali multi-fasiche. AFM ha la capacità di valutare quantitativamente le interazioni nano-scala, come carica, attrazione, repulsione e di adesione forze tra una sonda specifica e del substrato in aria e mezzi liquidi. ^7,8 L'AFM originariamente sviluppato da Binning, Quate e Gerber ⁹ usi una sonda di nota sensibilità / determinato e costante elastica di avvicinarsi e / o la scansione di un campione. A causa delle interazioni fisiche tra la sonda e il campione, il cantilever viene deflesso durante il contatto o la vicinanza e seconda della modalità di funzionamento, tali deviazioni può essere tradotto per acquisire la topografia delle forze presenti tra la sonda e il campione o campione di misura. Modifiche al tecnico AFMque, come sonda colloidale nanoscopia, ¹⁰ hanno permesso scienziato per valutare direttamente le interazioni nano-forza tra due materiali presenti in un sistema colloidale di interesse.

In colloidale sonda nanoscopia, una particella sferica di scelta è fissato al vertice di un cantilever, in sostituzione delle punte coniche e piramidali tradizionali. Una particella sferica è l'ideale per permettere il confronto con i modelli teorici, come la Johnson, Kendal, Roberts (JKR) ¹¹ e Derjaguin, Landau, Vervwey, Overbeek (DLVO) ^12-14 teorie e ridurre al minimo l'influenza della rugosità superficiale sulla misura. ¹⁵ Queste teorie vengono utilizzati per definire i meccanismi di contatto e le forze fra le particelle previsti all'interno di un sistema colloidale. La teoria DLVO combina le attraente forze di van der Waal e forze elettrostatiche repulsive (a causa di doppi strati elettrici) per spiegare quantitativamente il comportamento di aggregazione dei sistemi colloidali acquose, mentre la JTeoria KR incorpora l'effetto della pressione di contatto e l'adesione al modello di contatto elastico tra due componenti. Una volta che una sonda appropriata viene prodotto, viene usato per rivolgersi a qualsiasi altro materiale / particella per valutare le forze tra le due componenti. Utilizzando uno standard fabbricato punta sarà in grado di misurare le forze di interazione tra punta e che un materiale di scelta, ma il vantaggio di utilizzare una sonda colloidale su misura permette la misurazione delle forze presenti tra materiali presenti all'interno del sistema studiato. Interazioni misurabili includono:.. Adesivo, attraente, repellenti, carica, e anche forze elettrostatiche presenti tra le particelle ¹⁶ Inoltre, la tecnica sonda colloidale può essere utilizzato per esplorare forze tangenziali presenti tra le particelle e l'elasticità del materiale ^17,18

La capacità di effettuare misurazioni in vari media è uno dei principali vantaggi di sonda colloidale nanoscopia. Condizioni ambientali, liquido media, o condizioni di umidità controllata possono essere utilizzati per simulare condizioni ambientali del sistema studiato. La capacità di effettuare misurazioni in un ambiente liquido consente lo studio di sistemi colloidali in un ambiente che si trova in natura; pertanto, essere in grado di acquisire dati quantitativamente che è direttamente traducibile al sistema nel suo stato naturale. Ad esempio, le interazioni delle particelle presenti all'interno inalatori (MDI) possono essere studiate usando un modello di propellente liquido con proprietà simili al propellente utilizzato in MDI. Le stesse interazioni misurati in aria, non siano rappresentativi del sistema esistente all'interno dell'inalatore. Inoltre, il mezzo liquido può essere modificato per valutare l'effetto di infiltrazioni di umidità, un tensioattivo secondario, o temperatura sulle interazioni delle particelle in un MDI. La capacità di controllare la temperatura può essere utilizzato per simulare alcuni passi nella produzione di sistemi colloidali di valutare come temperatura sia nella produzione di omemorizzazione dei sistemi colloidali può avere un impatto sulle interazioni delle particelle.

Misurazioni che possono essere ottenuti utilizzando sonde colloidali includono; Scansione Topografia, singole curve forza-distanza, le mappe di adesione forza-distanza, e dimorare misure di forza-distanza. I parametri fondamentali che vengono misurati con il metodo della sonda nanoscopia colloidale presentata in questo documento includono i valori di energia separazione snap-in, carico massimo, e. Snap-in è una misura delle forze di attrazione, max caricare il valore della forza massima adesione, e l'energia di separazione trasmette l'energia necessaria per ritirare la particella da contatto. Questi valori possono essere misurati mediante misure istantanee o forza di sosta. Due diversi tipi di misurazioni dwell includono deflessione e rientro. La lunghezza e il tipo di misura di permanenza può essere specificamente scelti per imitare interazioni specifiche che sono presenti all'interno di un sistema di interesse. Un esempio sta usando deflessione di sosta – che detienei campioni in contatto ad un valore desiderato deflessione – valutare i legami adesivi che si sviluppano in aggregati formati in dispersioni. I legami adesivo formato può essere misurata come una funzione del tempo e possono fornire una conoscenza delle forze necessarie amalgamare aggregati dopo stoccaggio prolungato. La pletora di dati che possono essere ottenuti con questo metodo è un testamento alla versatilità del metodo.

Protocol

1. Preparazione della sonda colloidale e AFM substrato Per preparare sonde colloidali, utilizzare un metodo sviluppato precedentemente dagli autori. 19 In breve, utilizzare un supporto angolo di 45 ° di apporre un cantilever tipless allo specifico angolo di 45 ° (Figura 1A). Preparare un vetrino epossidica da spalmare uno strato sottile di resina epossidica su un vetrino da microscopio. Utilizzare una spatola pulita o un lento flusso di azoto per assicurare che…

Representative Results

Sistemi colloidali liquidi sono utilizzati per diversi sistemi di drug delivery farmaceutiche. Per la somministrazione di farmaci per inalazione, un sistema colloidale comune è la sospensione pressurizzato (pMDI). Interazioni tra le particelle presenti nel pMDI svolgono un ruolo fondamentale nella formulazione stabilità fisica, lo stoccaggio e l'uniformità consegna della droga. In questo manoscritto, forze fra le particelle tra particelle a base di lipidi porosi (~ 2 micron ottica diametro particellare medio) in …

Discussion

Diverse fonti di instabilità presenti durante liquido sonda nanoscopia colloidale sistema può essere facilmente mitigati attraverso procedure di equilibrazione corrette. Instabilità come discusso in precedenza producono risultati errati e le curve di forza che sono più difficili da analizzare obiettivamente. Se tutte le fonti di instabilità sono stati teso e grafici simili a quello mostrato in Figura 4 sono ancora presenti, un altro parametro di misura può essere la ragione. Altri parametri di mis…

Materials

Name of Material/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
Double-Bubble Epoxy	Hardman	4004
Veeco Tipless Probes	Veeco	NP-O10
Porous Particles	Pearl Therapeutics	N/A
Atomic Force Microscope (MFP)	Asylum	MFP-3D
SPIP Scanning Probe Image Processor Software	NanoScience  Instruments	N/A
35 mm Coverslips	Asylum	504.003
Tempfix	Ted Pella. Inc.	16030